Следующая стадия (непосредственная предыстория) берет начало в изучении радиоэлементов. Можно выделить три основные предпосылки, подготовившие формулировку понятия об изотопии. К первой относится накопление фактов о существовании совокупностей химически неотделимых радиоэлементов, отличающихся по значениям атомных масс: доказательство химической идентичности эманации (1900—1901), радиотория, иония и тория (1906), радия и мезотория (1910) и т.д. Оценивая эти факты, Ф.Содди в 1911 г. отмечал: «Теперь химическая неоднородность уже не является гарантией того, что данный элемент не есть смесь нескольких с различными атомными весами или что атомный вес не среднее число»3. В 1912 г. А.Рассел и Р.Росси установили важный факт идентичности оптических спектров химически неотделимых радиоэлементов (на примере тория и иония).
Вторая предпосылка заключалась в постепенном нащупывании связи радиоактивных рядов со структурой периодической системы. Здесь важную роль сыграли работы Д. Стрем-гольма и Т. Сведберга, А.Камерона и Ф.Содди. Эти исследования приводили к выводу, что два и более химически неотделимых радиоэлемента могут занимать одно и то же место в периодической системе. Существенное значение для установления связи радиоактивных семейств со структурой системы имели работы А. Флека и Г. Хевеши в 1912-1913 гг., которые значительно уточнили химические особенности известных радиоэлементов и во многом способствовали формулировке правил сдвига.
Третья предпосылка связана с выяснением физического смысла понятия «место элемента в системе», что произошло в результате установления зависимости между атомной моделью Э. Резерфорда и периодической системой. Решающую роль сыграло предположение А. Ван-ден-Брука, что заряд ядра атома равен порядковому номеру соответствующего элемента в системе. Основываясь на этом предположении, Ф. Содди в декабре 1913 г. дал следующую формулировку понятия изотопии: «Та же самая алгебраическая сумма положительных и отрицательных зарядов в ядре (Ф. Содди исходил, из протон электронной модели ядра, предложенной А. Ван-ден-Бруком. — Д. Г.), когда арифметическая сумма различна, дает то, что я называю «изотопами» или «изотопическими элементами», потому что они занимают одно и то же место в периодической таблице. Они химически тождественны и, за исключением сравнительно небольшого числа физических свойств, зависящих от массы атома, также тождественны и физически»'. Важно отметить, что эта формулировка еще не означала объяснения физической природы изотопии, ибо Ф. Содди не знал точных значений зарядов ядер. Согласно Ф. Содди, в ядрах изотопов данного элемента содержится различное число положительных и отрицательных зарядов. Их алгебраическая сумма одинакова и равна Z, т. с. порядковому номеру элемента, тогда как арифметические суммы (без учета знака) различны и представляют собой те значения, которые теперь определяются как массовые числа. Это и была третья стадия в истории изотопии — само открытие.
Упрочнению понятия изотопии способствовали доказательства идентичности спектров химически неотделимых элементов и исследования атомной массы свинца как конечного продукта радиоактивных семейств. В 1914 г. Э. Резерфорд и Э. Андраде доказали идентичность рентгеновских спектров RaB и свинца. В 1915 г. О. Хенигшмид и С. Горовитц установили идентичность спектров обычного свинца и свинца из радиоак тивных источников. Ф. Содди и Г. Гайман, Т. Ричарде и М. Лемберт доказали, что свинец, выделенный из урановых минералов (не содержащих тория), имеет атомную массу меньше, чем у нерадиогенного свинца, тогда как «ториевый» свинец обладает большей атомной массой. Все это означало доказательство существования изотопов у свинца, не являющегося радиоактивным элементом.
Констатация явления изотопии у стабильных элементов оказалась результатом во многом совершенно самостоятельной линии исследований, связанной с обнаружением в 1886 г. Е. Гольдштейном так называемых каналовых лучей и их последующим изучением. В 1912 г. Дж. Томсон разработал новый метод анализа этих лучей, что позволило ему констатировать наличие двух разновидностей атомов у неона, различающихся по массе (20 и 22), хотя правильной интерпретации наблюдения он не дал. Окончательное экспериментальное доказательство изотопии неона дал в 1920 г. Ф. Астон. Дальнейшие исследования изотопного состава стабильных элементов были осуществлены главным образом Ф. Астоном в Англии, А. Демпстером, К. Бейнбриджем, А. Ниром в США и др.
|